康三江，張海燕，張永茂，張　芳，張霽紅，曾朝珍，鄭　婭(甘肅省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)產(chǎn)品貯藏加工研究所，蘭州　730070)

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響應(yīng)面法優(yōu)化蘋果速凍工藝

康三江，張海燕，張永茂，張芳，張霽紅，曾朝珍，鄭婭
(甘肅省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)產(chǎn)品貯藏加工研究所，蘭州730070)

摘要:采用響應(yīng)面分析法優(yōu)化蘋果速凍工藝，當載樣量3kg/m2、速凍溫度－30℃、樣品中心溫度-18℃為時，產(chǎn)品的感官品質(zhì)、硬度和色澤最高，可溶性糖損失率、可溶性蛋白損失率、維生素C損失率最低;采用Box-Benhnken試驗設(shè)計方法和Design-Expert 9數(shù)據(jù)分析軟件，優(yōu)化出蘋果速凍最優(yōu)工藝參數(shù)為載樣量2.38kg/m2、速凍溫度－31℃、樣品中心溫度－19℃，此條件下實際感官評分為91.26。

關(guān)鍵詞:響應(yīng)面分析法;蘋果;速凍工藝

我國是全球蘋果栽培面積最廣、產(chǎn)量最高的國家，占世界總面積的42.5%、總產(chǎn)量的48.4%［1］。但由于產(chǎn)后加工能力滯后，新產(chǎn)品、新工藝研發(fā)不足，蘋果產(chǎn)業(yè)的規(guī)模化效益還沒有完全體現(xiàn)出來。延伸產(chǎn)業(yè)鏈，提高產(chǎn)品附加值成為蘋果產(chǎn)業(yè)做大做強的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。速凍果蔬是近年來迅速發(fā)展的新型果蔬加工制品，它能較好的保持果蔬的色、香、味和新鮮狀態(tài)，易于貯藏，而且不受季節(jié)的限制，是一種具有發(fā)展前景的方便食品［2，3］。速凍蘋果是指在－30℃以下將處理過的蘋果原料在短時間(≤30min)內(nèi)迅速凍結(jié)起來，以最快的速度通過最大冰晶生成帶(－1～－5℃)，產(chǎn)品在－18℃的條件下儲藏和流通［4，5］。近年來，隨著速凍技術(shù)的不斷完善和速凍設(shè)備的不斷更新，國內(nèi)外學者對米面［6］、玉米［7］、洋蔥［8］、西蘭花［9］、紫薯［10］等速凍產(chǎn)品進行了大量研究，Giampaolo Blanda等［11］研究了真空浸漬對速凍蘋果酚類物質(zhì)含量的影響; Adriana E.Delgado等［12］研究了超聲波對速凍蘋果凍結(jié)速率的影響，但用響應(yīng)面分析法優(yōu)化蘋果速凍工藝的研究還未見報道。本研究擬采用響應(yīng)面分析法優(yōu)化蘋果速凍工藝，擬為速凍蘋果新產(chǎn)品開發(fā)和推廣應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。

1　材料和方法

1.1材料和儀器

1.1.1材料與試劑

蘋果:富士，天水某食品有限公司蘋果基地; D-異抗壞血酸鈉:食品級，中瑞化學試劑公司;氯化鈉:食品級，中瑞化學試劑公司。

1.1.2主要儀器設(shè)備

色差計: CR-400型，日本柯尼卡公司;質(zhì)構(gòu)儀: CT3型，美國博勒飛公司;超低溫冰箱: DW-86L288，青島海爾集團;智能溫度記錄儀: L93-3型，杭州路格科技有限公司;循環(huán)水式真空泵: SH2-D (Ⅲ)型，鞏義市予華儀器有限公司;電子天平: BL-2200H型，日本島津公司;真空充氣包裝機: SB42L型，上海人民儀器廠。

1.2方法

1.2.1速凍蘋果加工工藝流程

傳統(tǒng)工藝:蘋果原料挑選→清洗→去皮、去核、切分→護色→漂燙→冷卻→速凍→包裝→冷藏

新工藝:蘋果原料挑選→清洗→去皮、去核、切分→護色(抽真空)→漂燙→冷卻→速凍→包裝→冷藏1.2.2樣品制備要點

取經(jīng)過清洗、去皮、去核處理的新鮮蘋果切分為1.0cm×1.0cm×1.0cm的小丁，按護色液與蘋果丁的質(zhì)量比例為10∶12，將蘋果丁浸入配制好的護色液中，進行抽真空前處理，經(jīng)漂燙、冷卻、瀝干水分后按照試驗組合設(shè)計的載樣量、速凍溫度和樣品中心溫度，在超低溫冰箱中快速凍結(jié)，在－18℃凍藏30d，解凍至中心溫度達到－5℃(以刀能切斷為準)，測定各項指標。

1.2.3速凍條件對速凍蘋果品質(zhì)的影響

研究載樣量、速凍溫度、產(chǎn)品中心溫度對速凍蘋果感官評分、色澤、硬度、可溶性糖損失率、可溶性蛋白損失率、維生素C損失率的影響，以確定響應(yīng)面分析水平范圍。

1.2.4響應(yīng)面法優(yōu)化蘋果速凍工藝

采用Box-Benhnken模型試驗設(shè)計原理［13，14］，根據(jù)單因素試驗結(jié)果，選取載樣量(X1)、速凍溫度(X2)、產(chǎn)品中心溫度(X3)為自變量，以+1、0、－1代表自變量的高、中、低3個水平，以速凍蘋果感官評分Y為響應(yīng)值，采用3因素3水平響應(yīng)面分析試驗優(yōu)化蘋果速凍工藝條件，重復(fù)3次，因素水平編碼見表1。

表1　響應(yīng)面分析的因素水平編碼

1.3測定項目及方法

1.3.1硬度測定

參照朱丹實、Missang C E［15，16］等方法。

1.3.2色澤測定

采用色差計法測定。選擇△E值代表速凍蘋果的色澤，△E值越小代表產(chǎn)品色澤越好，與鮮蘋果色澤越接近。

1.3.3感官品質(zhì)評價

根據(jù)NY/T 1406-2007《綠色食品速凍蔬菜》［17］、Q/XLY 0003 S-2012《速凍水果》［18］、GB/T 31273-2014《速凍水果和速凍蔬菜生產(chǎn)管理規(guī)范》［19］等標準，由從事本領(lǐng)域工作的科研和生產(chǎn)人員制定出速凍蘋果感官評定標準如表2。10人組成一個鑒定小組，各樣品隨機抽樣，解凍至中心溫度達到－5℃時打開包裝將樣品置于潔凈的白色瓷盤中，在自然光線下品嘗鑒評，評定每個樣品后，均用清水漱口并間隔10min再進行鑒定。

表2　速凍蘋果官品質(zhì)評定標準

1.3.4可溶性糖損失率、可溶性蛋白損失率、維生素C損失率測定

參照曹健康等方法［20］，損失率(%) = (原料中該物質(zhì)含量－速凍蘋果中該物質(zhì)含量) /原料中該物質(zhì)含量。

1.4數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)分析處理采用DPSv7.05和Design-Expert 9版數(shù)據(jù)分析軟件。

2　結(jié)果與分析

2.1速凍條件對蘋果速凍品質(zhì)的影響

2.1.1載樣量對品質(zhì)的影響

由表3可以看出，隨著載樣量的增加，速凍蘋果感官評分和硬度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，載樣量為3 kg/m2時，感官評分和硬度最高，△E、可溶性糖損失率、可溶性蛋白損失率、維生素C損失率先降低后增加，并在3 kg/m2時最低。

表3　不同載樣量對速凍蘋果品質(zhì)的影響

2.1.2速凍溫度對品質(zhì)的影響

如表4所示，隨著速凍溫度的升高，速凍蘋果感官評分和硬度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，當速凍溫度在－30℃時，感官評分和硬度最高，△E、可溶性糖損失率、可溶性蛋白損失率、維生素C損失率先降低后增加，并在－30℃時最低。

表4　不同速凍溫度對速凍蘋果品質(zhì)的影響

2.1.3產(chǎn)品中心溫度對速凍蘋果品質(zhì)的影響

由表5可以看出，隨著產(chǎn)品中心溫度的升高，速凍蘋果感官評分和硬度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，當速凍溫度在－18℃時，感官評分和硬度最高，△E、可溶性糖損失率、可溶性蛋白損失率、維生素C損失率先降低后增加，并在－18℃時最低。

表5　不同速凍溫度對速凍蘋果品質(zhì)的影響

2.2響應(yīng)面法優(yōu)化蘋果速凍工藝

2.2.1響應(yīng)面試驗設(shè)計及結(jié)果

根據(jù)單因素試驗結(jié)果，選擇載樣量、速凍溫度、產(chǎn)品中心溫度為影響因素，感官評分為響應(yīng)值，采用Box-Benhnken模型試驗設(shè)計，對蘋果速凍工藝條件進行3因素3水平的響應(yīng)面分析試驗，試驗設(shè)計及結(jié)果見表6。

表6　響應(yīng)面試驗設(shè)計與結(jié)果

2.2.2回歸模型的建立和方差分析

利用Design-Expert 9數(shù)據(jù)分析軟件對所得試驗數(shù)據(jù)進行多元回歸分析，得到蘋果速凍工藝自變量X1(載樣量)、X2(速凍溫度)、X3(產(chǎn)品中心溫度)的二次多項回歸方程為(1)式。

同時對試驗結(jié)果進行方差分析，結(jié)果見表7。由表7可知，模型P＜0.000 1，說明該模型極顯著，回歸方程的相關(guān)系數(shù)R2=0.995，說明預(yù)測值和試驗值之間有較好的相關(guān)性，并且失擬項P值為0.490 3，無顯著性影響(P＞0.05)，說明該模型對蘋果速凍工藝優(yōu)化試驗擬合程度較好，可用該回歸方程優(yōu)化蘋果速凍工藝條件。表7中的P值表明，X1、X2、X3、、、在富士蘋果速凍工藝中對感官品質(zhì)的影響均達到了極顯著水平(P＜0.01)，X1X2、X1X3達到了顯著水平(P＜0.05)，X2X3不顯著(P＞0.05)。

表7　回歸模型方差分析

2.2.3響應(yīng)曲面圖分析

為了進一步研究相關(guān)變量之間的交互作用以及確定最優(yōu)點，通過軟件繪制響應(yīng)面曲線圖進行可視化的分析，結(jié)果見圖1～3。響應(yīng)曲面圖可以直觀地反映出各因素交互作用對響應(yīng)值Y的影響，響應(yīng)曲面坡度相對較平緩，表明其在處理條件的變異范圍之內(nèi)，不會影響到響應(yīng)值的大小;反之，響應(yīng)曲面坡度異常陡峭，表明處理條件的改變會影響響應(yīng)值的大小。如圖1～3所示，載樣量分別和速凍溫度、產(chǎn)品中心溫度的交互作用顯著，而速凍溫度和產(chǎn)品中心溫度的交互作用不顯著。在試驗考察范圍內(nèi)，各因素對速凍蘋果感官品質(zhì)的影響由大到小依次為:載樣量(X1)＞樣品中心溫度(X3)＞速凍溫度(X2)，結(jié)果與方差分析相似，載樣量的最佳范圍為2～3 kg/m2，速凍溫度的最佳范圍為－29～－33℃，產(chǎn)品中心溫度控制在－18～－20℃。

圖1　Y =f (X1、X2)響應(yīng)面立體分析

圖2　Y =f (X1、X3)響應(yīng)面立體分析

圖3　Y =f (X2、X3)響應(yīng)面立體分析

通過響應(yīng)面分析，結(jié)合回歸方程，利用軟件進行最大值分析，得到最大估計值為91.12，最優(yōu)條件為載樣量2.38kg/m2、速凍溫度－31.10℃、樣品中心溫度－19.58℃。為了確保試驗結(jié)果的準確性，采用最優(yōu)速凍條件進行試驗驗證，同時為了實際操作方便，并結(jié)合營養(yǎng)品質(zhì)指標得出的結(jié)論，將最優(yōu)工藝參數(shù)修正為載樣量2.5kg/m2、速凍溫度－31℃、樣品中心溫度－19℃，實際得到的感官評分為91.26，理論值和實際值的相對誤差較小，說明該方程優(yōu)化的工藝參數(shù)能夠指導(dǎo)實際生產(chǎn)。

3　討論

凍結(jié)過程對速凍果蔬的質(zhì)地、色澤、營養(yǎng)等品質(zhì)有很大影響，凍結(jié)速度是保證速凍果蔬品質(zhì)最重要的因素之一［21］。凍結(jié)速度越快，細胞結(jié)晶時間越短，冰晶分布越均勻越細小，產(chǎn)品的品質(zhì)越高，但是，凍結(jié)速度過快會引起果蔬表面宏觀龜裂和細胞微觀結(jié)構(gòu)的破壞，從而導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)地和風味降低、組織褐變等現(xiàn)象的產(chǎn)生，進一步使其失去商品價值［22-26］。凍結(jié)速度與產(chǎn)品規(guī)格大小、凍結(jié)溫度高低、設(shè)備、放熱系數(shù)、產(chǎn)品中心溫度等因素有關(guān)。本研究表明，載樣量、速凍溫度、樣品中心溫度決定了蘋果的凍結(jié)速度，適當?shù)妮d樣量、速凍溫度、樣品中心溫度是保證速凍蘋果產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素，載樣量3 kg/m2、速凍溫度－30℃、樣品中心溫度－18℃時，產(chǎn)品的感官品質(zhì)、硬度和色澤最高，可溶性糖損失率、可溶性蛋白損失率、維生素C損失率最低，說明載樣量越小、速凍溫度越高、產(chǎn)品中心溫度越高、凍結(jié)速度越快，速凍蘋果產(chǎn)品質(zhì)量越好;但載樣量過小、速凍溫度過高、產(chǎn)品中心溫度過高、凍結(jié)速度過快，不僅影響了產(chǎn)品品質(zhì)，還會造成大量的資源浪費;反之，載樣量越大、速凍溫度越低、產(chǎn)品中心溫度越低、凍結(jié)速度越慢，產(chǎn)品色澤及質(zhì)地較差。在響應(yīng)面分析法優(yōu)化所得的速凍蘋果加工工藝條件下，得到速凍蘋果感官評分最大值為91.26，與理論值相符。蘋果速凍過程中，組織內(nèi)部以及細胞發(fā)生一系列的生理生化變化，如水分平衡相變、細胞冰晶的形成過程、細胞內(nèi)容物的變化、以及速凍玻璃化轉(zhuǎn)變溫度等有待于進一步研究。

4　結(jié)論

通過研究速凍條件對速凍蘋果品質(zhì)影響發(fā)現(xiàn):載樣量3 kg/m2、速凍溫度－30℃、樣品中心溫度－18℃時，產(chǎn)品的感官品質(zhì)、硬度和色澤最高，可溶性糖損失率、可溶性蛋白損失率、維生素C損失率最低。采用Box-Benhnken試驗設(shè)計方法和Design-Expert 9數(shù)據(jù)分析軟件，并結(jié)合可溶性糖損失率、可溶性蛋白損失率、維生素C損失率等營養(yǎng)品質(zhì)變化，優(yōu)化出蘋果速凍最優(yōu)工藝參數(shù)為載樣量2.5 kg/m2、速凍溫度－31℃、樣品中心溫度－19℃，此條件下的感官評分為91.26。

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(責任編輯李燕妮)

Optimization of Freezing Technology of Apple by Response Surface Method

KANG San-jiang，ZHANG Hai-yan，ZHANG Yong-mao，ZHANG Fang，ZHANG Ji-hong，ZENG Chao-zhen，ZHENG Ya
(Agricultural Product Storage and Processing Research Institute，Gansu Academy of Agricultural Science，Lanzhou 730070，China)

Abstract:The purpose of this study was to use response surface method to optimize the freezing technology of apple，to provide some theoretical basis for the frozen apple processing and to increase the added value of apple.The results showed that the sample load was 3kg/ m2，frozen temperature was－30℃，central temperature was－18℃of frozen apple，the sensory evaluation，firmness and color were highest，the loss rate of soluble sugar，loss rate of soluble protein，loss rate of vitamin C were lowest.The Box-Benhnken central composite design and data analysis software of Design-Expert 9 were applied to optimum freezing condition was the sample load 2.38kg/m2，frozen temperature－31℃，central temperature－19℃.Under this condition，the sensory evaluation was 91.26.

Keywords:response surface method; apple; freezing technolog

通訊作者:張永茂(1957—)，男，學士，研究員，研究方向:農(nóng)產(chǎn)品貯藏保鮮與加工。

作者簡介:康三江(1977—)，男，學士，副研究員，研究方向:果蔬精深加工。

基金項目:現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(項目編號: CARS-28) ;甘肅省科技重大專項計劃資助項目(項目編號: 1203NKDA016-4)。